DE2816985A1

DE2816985A1 - Ultraschallpruef- oder messvorrichtung

Info

Publication number: DE2816985A1
Application number: DE19782816985
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr Rer Nat Niklas
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1977-04-25
Filing date: 1978-04-19
Publication date: 1978-11-02
Also published as: JPS592341B2; JPS53133481A; DE2816985C2; GB1603235A; FR2389178A1; US4099416A; FR2389178B1

Description

lirautkrämer GmbH 13. April 1978

er Str. 449, 5000 Köln 41 IG/Brü. B 112

(l-'riorität dex¹ amerikanisch en Patentanmeldung Nr. 790.407
von 25. April 1977)

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallprüf- oder Heßvorrichtung, "bei welchem auf einem Bildschirm eine schallreflektierende Ungänze dargestellt ist, mit einem Prüfkopf in Form mindestens eines akustischen Wandlers, vorzugsweise in 3?orm einer liehrzahl zu einer Zeile zusammengefaßten Wandler element en auf der Oberfläche des Prüfstücks, wobei die aus dem Prüfstück
empfangenen Echosignale über den Prüfkopf einem Empfänger zugeführt sind und hier diskrete Echoamplitudensignale f-, bilden, wobei 1: eine ganze Zahl und gleich oder verhältnisgleich zu
einem Abtastintervall längs des Prüfstücks ist, bzw. die Elenentnummer längs der Prüfkopfzeile ist.

JJie Erfindung bezweckt, die Bildauflösung in dem zur Darstellung einer schallreflektierenden Ungänze odgl. benutzten System zu verbessern.

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Ea ist bereits eine Schaltungsanordnung mit zugehörigen mathematischen Hilfsmitteln bekannt, um die echoabhängigen elektrischen Signale so zu kompensieren, daß ein ideales Ultraschallsuchsignal simuliert wird. Man erhält dann eine fokussierte Bilddarstellung eines Fehlers im Prüfstück bzw. einer Ungänze in einer Entfernung von der Oberfläche.

Bei Verwendung des Ultra schall-Impuls-Echo-Verfahrens ist jedoch die Genauigkeit mit welcher die Ausdehnung einer Ungänze odgl_o innerhalb des Prüfstückes angegeben werden kann, begrenzt_o Die Ungenauigkeit geht auf die unbestimmte Breite des Ultraschallsuchstrahls zurück, welche von der Tiefenposition des Fehlers odgl. abhängt und die Divergenz dieses Strahles macht die Angabe der Fehlerausdehnung ungenau. Zwar haben handelsübliche Ultraschallprüfgeräte ein hinreichendes Tiefenauflösungsvermögen, da die Dauer des Ultraschallsuchimpulses durch Einsatz stark gecBnpfter Prüfköpfe hinreichend kurz gehalten werden kann, ferner auch durch Verstärker von geeigneter Bandbreite". Jedoch begerenzen die physikalischen Gkarakteristika schlechthin die Schärfe des Ultraschallsuchstrahls in der seitlichen Richtung. Zwar erzeugen Prüfköpfe kleinen Durchmessers einen scharfen Strahl unmittelbar an der Stirnseite des Kopfes, jedoch wird der Strahl stark divergent in größerer Entfernung. Wenn aber andererseits Prüfköpfe mit großem Durchmesser verwendet werden, wird < zwar in größer Entfernung die Divergenz stark verringert, die Bündelbreite unmittelbar vor der Stirnfläche des Prüfkopfes wird sehr breit. Man begenet diesem Nachteil zwar dadurch, daß

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man einen fokussierten Schallstrahl verwendet. Innerhalb einer vorbestimmten Fokusdistanz ist der Schallstrahl zwar scharf, sodaß eine genaue Aussage über die seitliche Position des Fehlers gegeben ist. Jedoch ist nachteilig, daß vor und hinter der lOkusebene die Schallbündelbreite größer als bei dem nichtfokussierten Bündel ist.

Die bekannten Hachteile sind besonders dann schwerwiegend, wenn Ungänzen bildlich darzustellen sind, z.B. nach der B-Bildmethode (siehe J. u. H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer-Verlag, Kapital 2.353). Die Bilddarstellungen, wenn fokussierte Prüfköpfe verwendet werden, sind in seitlicher Richtung stark verschwommen und sind scharf lediglich längs des horizontalen Streifens, der in der Brennebene liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung mit einem Abtastsystem anzugeben, bei dem ein besonderer Rechner eingesetzt wird, um ein zeitgetreues scharfes (fokussiertes) Bild des zu untersuchenden Objektes zu gewährleisten und die echoabhängigen elektrischen Signale mit den charakteristischen Werten des Prüfkopfes abzustimmen. Es soll auch eine Simulierung eines idealen Prüfkopfes erreicht werden bei dem das dargestellte Bild für alle Entfernungen vom Prüfkopf als fokussiert, somit scharf, erscheinen soll.

Die erfindungsgemäß Lehre geht davon aus, daß man ursprünglich

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in ansich bekannter Weise ein außerhalb der Brennebene liegendes Bild erzeugt. Der zweite Schritt besteht darin, daß man die Sohallbündelbreite, die ansich bekannt oder in ansich bekannter Weise bestimmt werden kann, durch einen Verfahrensschritt verkleinert (komprimiert), wobei mathematische Hilfsmittel bzw. zugehörige elektrische Schaltbauteile benutzt werden, sodaß durch diesen zweiten Schritt ein ideal scharfes Bündel erreicht wird welches ein ideal scharfes Bild für Objekte innerhalb des Werkstückes für alle Abstände vom Prüfkopf gewährleistet.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen mathematische Überlegungen ,die nachfolgend detailliert angegeben sind, zugrunde.

Um die Lösung des Problems leichter zu verstehen, wird die

eine Arbeitsweise der Vorrichtung nur fürVeinzige Zeile des B-Bildes beschrieben. Wenn die ganze Darstellung des B-Bildes verbessert werden soll, werden die zugehörigen Schritte bzw. die einzelne Arbeitsweise der Vorrichtung Zeile um Zeile wiederholt. Der besondere Rechner der Vorrichtung kann die zugehörigen mathematischen Schritte zeitgetrsu ausführen. Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere im medizinisch-diagnostischen PlId, wo eine zeitgetreue B-Bilddarstellung vorliegen muß, um seine Veränderung synchron mit der Herzfrequenz verfolgen zu können. Dieses Erfordernis schließt es aus, den Rechner während einer zusätzlichen, verlängerten Zeit arbeiten zu lassen.

Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

!"ig. 1A einen Aufriß der Prüfanordnung zur Untersuchung eines Prüfstückes, in welchem drei punktförmige Heflektoren vorhanden sind

Figuren 1B und 1C graphische Darstellungen von Signalen, die man vom Prüfkopf bei der Anordnung gemäß Pig. 1A erhält.

Figuren 2A - 2C graphische Darstellungen der Strukturen der icjiallstrahlen.

Pig. 3A einen Aufriß der Prüfanordnung zur Untersuchung eines Prüfstückes, in welchem ein ausgedehnter Reflektor (Ungänze) vorhanden ist

Figuren 3B und 3^ graphische Darstellungen von Signalen, die vom Prüfkopf gemäß Fig. 3A erhalten sind

Figuren 4-A - 4C graphische Darstellungen, welche Lösungen der erfindungsgemäßen Gleichungen darstellen

Fig. 5 eine elektrische Schaltung in Blockdarstellung einer Vorrichtung zur Ausführung der Erfindung

Fig. 5A eine elektrische Schaltung in Blockdarstellung einer "be-

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vorzugten Ausführungsform eines Teiles der Schaltung nach Fig.

Hg. 6 eine bevorzugte Ausführungsform einer digitalen Datenverarbeitungsmaschine, um die Erfindung in der Praxis zu verwirklichen und

Fig. 7 eine bevorzugte Ausführungsform einer analog arbeitenden Datenverarbeitungsmaschine zur Ausführung der Erfindung.

Aus den Figuren, zunächst aus Fig. 1A, ist ein Prüfstück ersichtlich mit drei punktförmigen Reflektoren, die in einer konstanten Entfernung vom Prüfkopf angeordnet sind. Von dem erregten Prüfkopf (elektroakustischen Wandler) 1 werden Ultraschallsuchsignale in das Prüfstück eingeschallt, wobei der Prüfkopf die Echosignale empfängt, die beim Auftreffen der Suchsignale an den innerhalb des Prüfstückes vorhandenen akustischen Ungänzen entstehen. Eine graphische Darstellung: der Echoamplitude als in seitlicher Sichtung verlaufendes Profil - ■-ist in Fig. 1B dargestellt. Aufgrund der endlichen Strahlbreite der Suchsignale ist diese Kurve nicht eindeutig definiert, verglichen mit der idealen graphischen Darstellung gemäß Fig. 10. Es ist möglich, sie zu messen , indem ein einzelner

punktförmiger Reflektor registriert wird. Das Ergebnis des zuletzt genannten Versuches ist die Schallstrahlstruktur (Profil) des Prüfkopfes 1.

Die Erfindung betrifft ein mit mathematischen Hilfsmitteln be-

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stimmtes Verfahren, um die Werte der Kurve von der Struktur I¹Ig. 1B in solche der idealen graphischen Darstellung gemäß Fig. 1C zu transformieren, wobei vorausgesetzt wird, daß die Schallstrahlstruktur des Prüfkopfes bekannt ist oder vorher bestimmt worden ist.

Bei der Verwirklichung steht die graphische Darstellung gemäß Fig. 1B nicht zur Verfügung als eine kontinuierliche Kurve, jedoch als eine Folge von diskreten Echoamplitudenwerten f., wie in Fig. 2A dargestellt. Die zu erwartende ideale Registrierung nach Fig. 2B ist ebenfalls eine Folge von Amplitudenwerten b, . Wenn außerdem die Schallbündelstruktur des Prüfkopfes 1 während eines Vorversuches ausgemessen worden ist, entsprechen diese Werte einer Folge p., von Amplituden, wobei der Index i die Position eines einzigen punktförmigen Testreflektors und k die Position des Prüfkopfes während des Vorversuches bezeichnen. Fig. 2C zeigt solche p., - Folge, wobei die Reflektorposition für i - 10 angenommen wird. Würde bei dieser Prüfung der Reflektor eine andere Position haben, z.B. bei i = 8, wäre die Folge identisch,mit der Ausnahme, daß für den Index k eine Verschiebung um den Wert zwei stattfindet. Das heißt p*Q , = p_{Q k} , Die Pj_v~ Folge besteht aus Elementen einer Matrix von der Form: '

' I

P₀ Ρ-] P₂ ···
P^ P₀ Pi P₂ ··· P₂ Pj P₀ Pi P₂

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so daß diese Matrix nur durch eine einfache Folge von ρ Werten "beschrieben werden kann. Das Verhältnis von p., zu ρ ist gegeben durch:

p., = ρ mit ν = k - i Gleichung 1

Wenn Normalprüfköpfe für die Prüfung benutzt werden, ist die .Schallstrahlstruktur (Profil) symmetrisch, also gilt ρ = p,„· Werden Winkelprüfköpfe benutzt, so gilt dies üblicherweise nicht. In der nachfolgenden Gleichung wird diese nicht symmetrische Art der Schallstrahlstruktur behandelt.

Erfindungsgemäß wird die Aussage ausgenutzt, daß die Darstellung von Pig. 1B (2A) eine Faltung der idealen graphischen Darstellung 1C (2B) des Schallstrahl prof ils ist:

= fp(

x - ijM^cl f Gleichung 2

Diese Aussage ist in der Praxis dann wahr, wenn das Prüfstück nach Fig. 1A nur isolierte punktförmige Reflektoren enthält. Es ist bekannt, daß wenn ein ausgedehnter Eeflektor nach Art des in Fig. 3A dargestellten vorhanden ist, daß dann der Eeflektor lediglich durch die von den Rändern ausgehende akustische Reflexion bewertet werden kann. Diese Tatsache stimmt mit der Gleichung 2 nicht überein. Hun, die graphische Darstellung eines ausgedehnten Reflektors gemäß Fig. J>k entspricht derjenigen gemäß Fig. JB. Bei Einsatz der Entfaltungs -^methode, wobei unter "Entfaltung¹¹ die inverse Faltung zu verstehen ist, die nach-

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folgend angegeben wird, ergibt sich eine ideale Kurve und dieses Ergebnis ist als Kurve in Fig. 30 dargestellt. Der Anfang und das Ende des Reflektors sind in dieser Kurve betont hervorgehoben, aber solche Hervorhebung kann dann vorteilhaft sein, wenn die Reflektorgröße bestimmt werden soll.

Wenn die Werte f(x) (gemessen) in Gleichung 2, p(x) (Struktur/ Profil) und b(x) (ideale Aufzeichnung) als eine Folge von Amplitudenwerten gegeben sind, so wird das Faltungs -integral in der Gleichung 2 zu einem System von linearen Gleichungen umgewandelt :

^fi ⁼ t- ^ρίΑ: ' i = 0, 1, 2, ... Gleichung 3 oder für Gleichung 1:

^f i ⁼ £ Pfeils: Gleichung 3a

Für die Gleichungen 3 und. 3a wird angenommen, daß p.-. oder ρ durch den Yorversuch bekannt und die Werte b, unbekannt sind. Um letztere Werte zu finden, muß das umgekehrte Gleichungssystem

^bi ⁼\^d±A ⁼ f ^Pik ^fk Gleichung 4

gelöst werden. In der gleichung 4 sind die Elemente der Matrix ^dik ^{die Elemen1;e der} umgekehrten Matrix pT^. Wenn die p_ik- Matrix umgekehrt wird, ist zu beachten, daß die Anzahl der p_ifc- Elemente

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unbestimmt ist.

Es gibt Programme für Elektronenrechner zur Invertierung von Matritzen , aber die erforderliche Rechenzeit ist von Bedeutung. Die Ausrechnung muß dadurch erfolgen, daß die unbestimmte p.,- Matrix durch eLne bestimmte Matrix als Uaherungsgröße dargestellt wird. Damit die Rechnung genau wird, muß sie mit Matrifczen, vieler Elemente ausgeführt werden. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wird in vorteilhafter Weise nachfolgendes Rechenverfahren benutzt.

Die Gleichung 4 kann ebenfalls benutzt werden, um während der Vormessungen das Profil der Kurve auszurechnen. In diesem ist die Gleichung 4:

0 ^füri i 0 ' ^£ k ^{= p}v Gleichung

Die p., - Matrix hat die spezielle, in Gleichung 1 dargestellte Form; es ist ebenfalls bekannt, daß die zugehörige inverse Matrix die gleiche Form hat. Deshalb kann die d.-, - Matrix auf eine Folge (Sequenz) d komprimiert werden:

d-, = d mit ν = k - 1 Gleichung 5a

Hieraus folgt die Gleichung 4:

Gleichung 6

■u -^{V J} __± p_v = ο für j J g; i = -1[,...-1,0,1,...,H

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Wird der Wert von ν hinreichend groß, geht ρ nach Null, wegen der bestimmten Breite des SchallStrahls. Durch "Versuche ist bekannt, daß d der gleichen Gesetzmäßigkeit folgt. Deshalb kann das unbestimmte System der Gleichung 6 durch ein bestimmtes System nach Gleichung 7 ersetzt werden.

Gleichung 7 i-O

Dies ist ein System von 2N + Λ Gleichungen mit 2N + 1 unbekannten Elementen, in dieser Gleichung

_-1 =0 für \ύ-Λ\> Η

Um die Rechenzeit zu verkürzen, sollte Έ so niedrig wie möglich gewählt werden, aber wenn Έ übermäßig niedrig gewählt wird, so werden die Kurven von b verzerrt, wie in Figur 4B dargestellt. Wenn eine solche Kurvenverzerrung geschieht, muß der Wert N höher genommen werden.

Liegt ein symmetrisches Schallstrahlprofil ρ = ρ vor, so geht Gleichung 7 über in:

Gleichung 7a E 1 für i = 0

Dieses System enthält nur Ή + Λ Gleichungen.

Das Ergebnis eines Versuchs im Durchlauf des Computers ist in

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. 4-A dargestellt, welche ein Schallstrahlprofil zeigt, von

dem angenommen wurde, daß es der Gausschen Kurve gemäß f-, = exp k / folgt, zusammen mit dem Ausdrucken der f-, - Folge. Mit f = ρ
xiurde die d - Folge (tabellenförmig an der rechten Seite der >

V ;

Kurve 4-B dargestellt) aus der Gleichung 7a durch Einsetzen von
IT = 6 ausgerechnet. Die Gleichung 7 wurde unter Benutzung eines '■■>, Wang-700- Rechners bei Benutzung des ' Programms 1OO3/MA3^; ausgerechnet. Die d -Folge gemäß Figur 4-B zusammen mit der f, Folge gemäß Figur 4-A gibt eine b- -Folge nach der Entfaltung >. .-inverse Faltung mit Hilfe der Gleichung 4·. Die b.- Folge ist an der linken Seite der Figur 4-B graphisch ausgezogen. ;

Fig. 4-B kann entnommen werden, daß die Ausrechnung für i = 0, j

■ t

1,..., 6, richtig ist, jedoch ist dort ein Maximum bei i = ^8, ' und für Werte, die kleiner als 6 sind, liegen Schwingungen vor. . Diese ausklingende Schwingung verschwindet, wenn für IT, in der , Gleichung 7a, ein Wert 12 oder mehr (nicht dargestellt) genommen

wird. ^!

Eine andere Möglichkeit, die ausklingende Schwingung nach Fig. ; 4-B zu verringern, ohne daß übermäßig Zeit für den Rechner in i Anspruch genommen wird, ist in Figur 4-C dargestellt. Bei diesem \ Rechnerdurchlauf, für die Gleichung 7a, wurde i =~-A unterdrückt und stattdessen wurde der Wert i = 7 hinzugefügt. Diese Gleichungen werden mit der gleichen Arbeitszeit des Rechners wie in dem '' vorhergehenden Beispiel gelöst. Die d - Folge für diesen Fall

■ ist auf der rechten Seite der Figur 4-C dargestellt und auf der <

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— I s —

linsen Beite die entfaltete i'olge. Es ist zu beachten, daß durch dieses Verfahren (ohne die Notwendigkeit, weitere Gleichungen auszureebnen), ausklingende Schwingungen verschwinden. Die seitliche Auflösung ist nicht die optimale, aber sie ist wesentlich besser als ohne Benutzimg des angegebenen Vez'fahrens (vergleiche 3?ig. 4A),

In aieseu Zusammenhang, sum 'Verständnis der Erfindung, ist ein ninvreis aiii' bekannte Verfahrensweisen zweckmäßig: Dort sind Lösungen für das Entialtungsproblem bekannt, aber alle erfordern sprunghaft mehr Kechnerzeit. 2mm Beispiel ist in dem ilD-Heport lir. I8304 von K. Gold ein Verfahren der iterativen Annäherung dargestellt. Andere Autoren empfehlen, die Courier Transformation P (ν.) des Schallstrahlprofils ρ (χ) durchzuführen und eine Rücktransformation durch Fourier Umkehrtransformation 1/P (¹C) durchzuführen. i)as Ei-gebnis d(x) entspricht der d - Polge, wie vorstehend angegeben.

Die vorliegende Verfahrensweise bx'ingt eine Lösung für die Entfaltung, wobei wesentlich weniger Rechnerzeit benötigt v/ird. Die Zeiteinsparung ist besondere dann wichtig, wenn eine medizinische Prüfapparatur benutzt wird, wo es auf zeitgetreue Prüfung ankommt, und wie nachfolgend näher erläutert.

Ir. an sich bekannter V/eise werden B-Bilder, vgl. Pig. 1A, durch Bewegung eines Prüfkopfes entlang der Oberfläche eines Prüfstückes (bsw. Patienten) gewonnen. Eine Vorrichtung, um den

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Prüfgegenstand in geeigneter Weise auf dera Bildschirm einer Braunschen Röhre darzustellen, ist in S¹Xg. 5 gezeigt. Es gibt verschiedene ähnliche Verfahren, die grundsätzlich mit einem Gerät gemäß Fig. 5 arbeiten. Das Entfaltungsverfahren 4-welches hier beschrieben wird, kann also auf solche Varianten ebenfalls übertragen werden. Eine wichtige vorteilhafte Abwandlung sieht die Benutzung von linear bzw. zellenförmig angeordneten Wandlerprüfköpfen vor, wobei eine Mehrzahl, nach einer bevorzugten Ausführungsform 100, nahe nebeneinander angeordneten Wandlerelementen als lineare Zeile anstelle eines

bewegten
einzigenVPrüfkopfes benutztwird. Anstelle der tatsächlichen Versetzung des Wandlers 59 in Fig. 5 wird üblicherweise eine elektronische Schaltvorrichtung wie ein Schieberegister 58a und eine Schalteinheit 58b verwendet, welche zwischen Empfängerverstärker 51 j dem Sendegenerator 52 und der in Zeilenanordnung vorhandenen Prüfköpfe 59a, 59b, 59c» usw. angeordnet ist, so daß die Prüfkopfelemente der Zeile in einer Folge erregt werden. Die Schalteinheit wird durch den Taktgenerator 54- gesteuert. Eine weitere wichtige Ausführungsform sieht eine sektorenweise erfolgende Abtastung vor, bei der der Prüfkopf 59 nicht translatorisch bewegt sondern eine, einen Winkelbereich überstreichende Schwenkbewegung bzw. Schwingung ausführt. Einzeln an sich bekannte Abwandlungen sind für den Fachmann bekannt, demgemäß zum Beispiel die mechanische Schwenkbewegung durch eine elektronische Schallstrahlabtastung erfolgt, welche dem Prüfkopf aufgeprägt wird und bei dem dieser stationär verharrt, während der Schallstrahl verschwenkt wird.

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Die Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß Schaltung Jig. 5 kann für alle Ausführungsvarianten benutzt werden. Ein Taktgenerator 54 sendet Zeitimpulse zu dem Sendeimpulsgenerator 52 als auch zu dem Kippgenerator 55, der mit dem Taktgenerator 54 synchron gekoppelt ist. Die Folgefrequenz liegt üblicherweise im Bereich 500 Hz und 20 kHz; eine typische Folgefrequenz beträgt etwa - Λ kHz. Durch den Kippgenerator 55 wird ein Signal auf dem Bildschirm des Braunschen Hohres 57 senkrecht zur Laufzeitachse erzeugt. Eine die Position bestimmende Vorrichtung 58, im einfachsten Falle ein Potentiometer, ist mechanisch mit dem Prüfkopf 59 gekoppelt. Auf diese Weise wird die seitliche Bewegung des Prüfkopfes über die Oberfläche des Prüfstückes hinweg, die als X-Koordinate angesehen bzw. bestimmt ist, dem Braunschen Rohr 57 übertragen, ge nach der einzelnen Stellung des Prüfkopfes auf dieserOberfläche. Die vom Prüfkopf 59 empfangenen, auf Echos zurückgehenden Signale werden durch Verstärker 51 verstärkt und in an sich bekannter Weise als verstärkte elektrische Signale über den Videoverstärker 56 zu der Helligkeitssteuerelektrode des Braunschen Rohres 57 weitergeleitet. Nun ist erfindungsgemäß eine Datenverarbeitungsmaschine 53 vorhanden, die nachfolgend im einzelnen erläutert ist und zum Videokreis in Rei/he geschaltet, so daß die Folge von Echosignalen f, von dem Verstärker, der Entfaltung unterworfen wird.

Die zeilenförmige Anordnung geht aus Figur 5A hervor. Hier ist ein Prüfkopf 59 durch eine Zeile von Elementen 59a, 59b, 59c, usw. ersetzt, die nacheinander durch einen elektronischen

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Schalter 58b synchron mit der Taktfrequenz 54 erregt werden. Die "Vorrichtung 58 zur Bestimmung der Position wird durch einen Stufengenerator 58a ersetzt, welcher synchron in Übereinstimmung mit der Schaltfolge der Elemente ein treppenföriniges Spannungsausgangssignal erzeugt, welches zur Steuerung der x-Achse des Braunschen fiohres 57 benutzt wird. Die anderen Punktionen, hiervon abgesehen, entsprechen denjenigen gemäß Pig. 5-

Die Datenverarbeitungsmaschine 53 ist notwendig, um die erfindungsgemäßen "Verfahrensschritte auszuführen. Um die nach-

z.Q. folgende Beschreibung zu vereinfachen, wird'angenommen, daß zur Darstellung eines B-Bildes ein Zeilenprüfkopf gemäß Fig. 5A 64 Elemente aufweist, die voneinander um einen Abstand von 1,56mm getrennt sind, um eine 100 mm lange Zeile zu bilden. Für die übrigen Parameter kann folgendes vorgesehen werden: Der Schirm des Braunschen Rohres 57 erzeugt ein B-Bild, welches die Abmessungen 100 mm χ 100 mm hat^ybei die Darstellung in 64 Bildelemente pro Kolonne entlang der y-Kichtung (Zeitachse) eingeteilt ist. Fun ist das vertikale Auflösungsvermögen y beschränkt auf 100/64 = 1,56 Dim. Ist ein besseres Auflösungsvermögen erwünscht, muß man eine feinere Teilung vorsehen. Die nachfolgenden numerischen Werte stellen typische Parameter dar.

Pur ein Beispiel wird angenommen, daß in einem Prüfstück aus Stahl die akustische Geschwindigkeit c =» 5900 m/sec. (5i9 mm / see.) hat und abgetastet werden soll, dann wird dem Eingang der Datenverarbeitungsmaschine 53 ein neuer Amplitudenwert f,

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für alle 2 χ/ιϊ/c = 0,53/U-- ^sec zugeführt (die Laufzeit für das Signal,um zweimal die 'Hefe zu durchqueren). Handelsübliche, relativ billigere Datenverarbeitungsmaschinen bzw. Üechner sind nicht in der Lage, den Wert b. der Gleichung 4- innerhalb dieses kurzen Zeitintervalls zu berechnen. Deshalb konnte das Entfaltungsproblem bishei? nicht in Echtzeit (real time) gelöst werden.

n es jedoch, im Einzelfall, nicht auf Echtzeitdarstellung ankörnt, so kann das Problem durch einen liinirechner gelöst werden, indem Signale vom Verstärker 51 in einer Folge über einen Analog-Digital-Wandler dem Arbeitsspeicher des Heeimers zugeführt werden. Diesel¹ Schritt kann innerhalb 0,53 see. _ti^e A ~ Wert durchgeführt

ic

werden. Die während des 'Versuches erhaltenen d - V/erte werden in einem anderen Teil des Arbeitsspeichers gespeichert. Im nachfolgenden werden die Ergebniswerte b. berechnet, indem die Werte f, und d nach der Gleichung 4 verwendet werden und ge-

Ja. V - '

speichert werden.

Danach wird der b·- Speicher in einer Folge abgefragt und über einen Digital-Analogwandler an den Videoverstärker 56 gekoppelt. Die Ausgangssignale vom Videoverstärker 56 werden der Schreibelektrode des Braunschen Rohres zugeführt. :

Hinsichtlich der Folge der Werte d ist zu beachten, daß .für

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jedes Ti ei'enint ervall, d.h. Tür Rieden 1,56 mn betragenen Teil der B-Bilddarsteilung man einen neuen Wert für d erhalten muß. Die praktische Ausführung zeigt jedoch, daß man den Aufwand verringern kann, indem zun Beispiel eine neue d - Folge nur für je vier Tiefenbereiche, zum Beispiel alle 4 χ 1,56 mm = 6,25 erzeugt. Deshalb kann an Messungen während des Vorversuches als auch an Speicherkapazität im Rechner gespart werden. Diese Tatsache kann erfindungsgemäß vorteilhaft für die Echtzeitdarstellung wie nachfolgend angegeben, benutzt werden. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß in vielen handelsüblichen, das B-Bild darstellenden Geräten ein Verstärker 51 mit einer logarithmischen Kennlinie verwendet wird. Dies ist insoweit vorteilhaft, weil ein logarithmischer Verstärker einen größeren dynamischen Bereich als ein linearer Verstärker hat. Das Ausgangssignal von dem logarithmischen Verstärker ist nicht die Amplitude der Folge f, , sondern vielmehr log f^.

Der Rechner muß diesen Wert zurück zum Wert f, = 10 ⁰^ k umwandeln, was durch geeignete Programme möglich ist, die für fast alle Prozessrechner erhältlich sind. Um ferner Rechenzeit einzusparen, ist es im vorstehenden Fall vorteilhaft, anstelle

der Folge d die Folge log d zu speichern, und anstelle

des Produkts d χ f-, , die Summe log d + log f, zu bilden und ■ dann diese Summe umzuwandeln. Hierdurch wird die erforderliche ; Rechenzeit verringert. Ferner machen die speziellen Prozess- j

rechner für den Echtzeitbetrieb, die nachfolgend angezogen sind^ teilweise davon Gebrauch. '

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Der Grund für die längen Rechenzeiten in den handelsüblichen Prozessrechnern besteht darin, daß diese Rechner für Serienoperationen bestimmt sind, d.h. für die Lösung der Gleichung 4-muß jede Multiplikation und Addition zeitlich eines hinter der anderen ausgeführt -werden. Bei der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung benutzt man einen Digitalrechner gemäß Fig. 6 oder einen Analogrechner gemäß Fig. 7» wobei jeder die für die Gleichung 4- erforderliche Rechenoperation parallel zueinander, d.h. gleichzeitig ausführen. Deshalb ist die erforderliche Rechenzeit kleiner als 0,3 /JB und deshalb kann die Gleichung 4-in Echtzeit ausgerechnet werden. Beide Rechner bestehen aus handelsüblichen Einzelteilen, der Analogrechner gemäß Pig. 7 ist weniger teuer, aber der Digitalrechner gemäß Fig. 6 hat den Vorteil, daß er eine höhere Langzeitkonstanz aufweist.

Die Amplitudenwerte von log f, , vgl. Fig. 6, die vom logarithmischem Verstärker 51 herrühren, werden durch den Analog-Digital-Wandler 61 zu einem z.B. 8-Bit Binärwort umgeformt. Wenn das Verfahren in der oberen linken Ecke des B-Bildes beginnt, werden die log £q - Werte für die erste Senkrechte des B-Bildes dem ; Wandler 61 einer nach dem anderen zugeführt. Diese Werte werden , einem 64—Positionen aufweisenden Schieberegister 62a zugeführt. '

Der Taktgenerator 63 verschiebt das Schieberegister um alle * 0,53/^sec um eine Stufe, so daß nach 64- Stufen der Wert log f₀ für

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die erste Zeile der Darstellung als letzte Position des itegisters 62a und zu Beginn des Registers 62a der Wert log £q für das letzte Segment der Zeile erscheint. Die Taktimpulse vom Generator 6J werden gleichzeitig in einem 6-Bitbinärzähler 64 gezählt. Nach der 64 — sten Stufe erzeugt der Zähler ein Überlauf signal, durch den der Taktgenerator 63 gestoppt und es verhindert wird, daß weitere f-Signale in den Schieberegister 62a eingeführt werden können. Dieser Wartezustand wird beibehalten, bis ein neues Startsignal zu dem Sendergenerator 52 von dem Taktgenerator 54 des B-Bildgerätes abgegeben wird. Ein solches Startsignal bezeichnet den Beginn einer neuen Zeile zum Aufbau des B-Bildes. Das Startsignal wird ebenfalls dazu benutzt, den Zähler 64 auf Null zurückzustellen und hierdurch wird der Überlaufzustand beendet. Nun erzeugt der Taktgenerator 63 eine neue Polge von Wechselzeichen für die Schieberegister 62a, 62b, 62c, usw. Die programmierte Pause hält eine korrekte Synchronisation des Rechners mit dem Sendeimpuls der B-Bilddarstellung aufrecht.

Nach Erhalt des ersten Taktsignals von der neuen 64-Serie ist der Wert von log £,, für die nächste Zeile im Eingang des Schieberegisters 62a vorhanden, der Wert von log £q für die erste Zeile am Eingang des Schieberegisters 62b. Nach einer neuen Folge von 64 Stuf en, (Schritten) befinden sich die Werte log f₂, log fy, und log £q im Eingang der jeweiligen Schieberegister 62a, 62b und 62c. Um die Gleichung 4 zu lösen, müssen 2N (siehe Gleichung 7) 64-Stellung-Schieberegister vorhanden sein, welche beim Start von 2N + 1 Taktimpulssignalenyvom Taktgeber 63 alle die

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Werte von log f, , erforderlich für die Gleichung 4-, zur'Verfügung stellen., einer hinter dem anderen in dem Maße, daß f, nicht Hull wird. Die nachfolgenden Taktimpulse erzeugen die zugehörigen Werte für die zweite, dritte bis vierundsechzigste Zeile der B-Bilddarstellung. Nach der nächsten vierundsechzigsten Serie erscheint die Folge log f^·^ * bis log f^, sequenziell für alle Zeilen und so fort.

Die Werte von log £, , die im jewei-ligen Ausgang der Schieberegister vorhanden sind, werden den acht Α-Eingängen (A.*, Ap bis Aq) einer 8-Bit parallelen Additionsstufe zugeführt. Die B-Eingänge dieser Additionsstufen erhalten Signale von den Einheiten ROM 68a, 68b, 68c, usw. Diese ROM werden durch die vier wichtigsten Bits des 6-Bitzählers 64 adressiert, so daß immer nach vier Taktimpulsen eine neue Adresse vorliegt. Die ROM 68a, 68b, 68c, usw. sind so programmiert, daß sie für jeden Adressenwert (log d_·^, log d_^ ^, ..., logjj-) einen zugehörigen log d -Wert bilden, der in Form eines 8-Bitbinärwortes am Ausgang vorhanden ist.

Deshalb -ist die Summe log d__N + log f_fc, log d_^ . /j + log ^fv₊i > usw. im Ausgang der Addierstufen 65a, 65b, 65c, usw. vorhanden, und zwar in Form eines 8-Bitbinärwortes.

Diese Werte dienen als Adresse A für ROM 69a, 69b, 69c, usw. Diese ROM sind in solcher Weise programmiert, daß sie für positive Werte von d^ im Ausgang den Wert 1O^-6" (= d_^ χ f, ) als

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bilden
ein 8-BitbinärwortV Pur die ROM, -verbunden mit einem negativen

d (d.h. d_-,, d_^, d^j, d^, d,- ..) wird das 2-te Komplement von

10 so programmiert, daß der negative Vorimpuls bzw. Vorzeichen

des Produktes d χ f-, berücksichtigt wird, wie in der Rechenv j£

technik an sich bekannt.

Nachdem die Produkte d χ f _Ί gebildet sind, werden die Ausgangswerte der 2ΪΓ + 1 HOM 69a, 69b,69c, den 8-Bit parallelen Addierstufen 66a, 66b, 66c, usw., wie in Pig. 6 dargestellt, stufenweise zugeführt, so daß in der letzten Addierstufe 66c, Pig. 6, der b.-Wert synchron mit den Eingangs wert en von log f-, erscheint, insbesondere die 64 Werte von b- erscheinen konsekutiv für die jeweilige erste, zweite, dritte ... Kolonne.

Dann werden die Ausgangswerte b. über einen Digital-Analogwandler 67 zu Analogsignalen umgewandelt und in den Videoverstärker 56 eingespeist.

Der analoge Computerkreis gemäß Pig. 7 arbeitet nach dem gleichen Rechenprinzip wie der digitale Rechenkreis gemäß Pig. 6, jedoch sind die meisten der notwendigen digitalen Bauteile durch weniger kostspielige analoge Bauteile ersetzt. Grundsätzlich ist der Verstärker 51 ein logarithmischer Verstärker, um den nachfolgenden Rechenvorgang zu vereinfachen. Ein Analog-Digitalwandler, der der Bezugsziffer 61 gemäß Pig. 6 entsprechen würde, ist nicht erforderlich. Es sind Schieberegister 70a, 70b, 70c, usw., mit gleicher Punktion wie in Pig. 6 vorgesehen, vorhanden, jedoch

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werden analoge Schieberegister nach dem Kontaktkettenprinzip (zum Beispiel SAM) benutzt. Die Funktionen des Taktgebers 73 und des Blocks 76 sind identisch denjenigen in Pig. 6. Die 4- x. 8-Bit-RQMeinheiten 77a, 77b, 77c, usw. sind für die Werte 16 log d._jT-; log d·^>. bis log d-^ für die geweilige erste, zweite, dritte, usw. Gruppe von vier Inkrements programmiert.

Die vier Widerstandsnetzwerke 71a, 71b, 71c, usw., zusammen mit Netzwerken 80a, 80b, 80c, usw. dienen als Addierstufen, um die Summe log f, + log d . zu bilden, wobei die jeweiligen, mit Einhexten 80a, 80b, 80c, usw. in Verbindung stehenden Widerstände jeweils im Verhältnis von 1: 2: 4-: 8, usw. vorhanden sind, so daß sie gleichzeitig als Digital-Analogwandler für die log d -Werte wirksam sind. Die Verstärker 72a, 72b, 72c, usw. haben einen exponentieIlen Verlauf der Spannungs- Leistungscharakteristik, so daß sie befähigt sind, log f, + log d in das Produkt f, χ d zu transformieren, was für die folgende Rechnung erforderlich ist. Zu beachten ist, daß die Widerstände 71a* 71b, 71c so eingestellt sind, daß sie bewirken, daß die logarithmischen Verstärker 72a, 72b, 72c, in ihrem steilen exponentiellen Teil der Kurve arbeiten. Beispielsweise liegt für den 376-Verstärker (der Optical Electronics, Inc.) dieser Bereich zwischen 400 bis 700 mV. Danach werden alle diejenigen Produkte, die ein d enthalten, welches einen positiven Index hat, (auch d ) zusammen im Widerstandsnetzwerk 78a hinzuaddiert. Die Produktwerte, die mit d verbunden sind, aber einen negativen Tiefindex (ungerade d ) haben,

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werden dem Netzwerk 78b hinzuaddiert. Beide Summen werden dem Differenzverstärker 79 zugeführt, um ein Differenzsignal hervorzurufen, welches im Ausgang des Verstärkers 79 d.sn Wert b. in Übereinstimmung mit Gleichung 4, bewirkt.

Beide vorstehenden, speziell konzipierten Rechner können verschiedenen Abänderungen und Kombinationen unterliegen. Zum Beispiel kann das Schieberegister 62 in Figur 6 durch ein Analogregister, z.B. Bauteil 70, ersetzt werden. Dann muß der Analog-Digitalwandler 61 im Schaltkreis hinter dem analogen Schieberegister angeordnet werden. In Figur 7 kann der lineare Verstärker modifiziert werden, indem Additionskreise 71 durch analoge Multiplier ersetzt werden, hierbei speichern die HOM 77 d. anstelle von log d und die Verstärker 72 sind lineare Verstärker.

Es können folgende typische Bauteile, vorzugsweise für Prozessrechner 63, verwendet werden:

Analog-Digitalwandler 61 Micro Consultants

Teil ITr. AF-DI 802 EAD

Schieberegister 62a, 62b, usw. Advanced Instruments AM I5O6 Binärzähler 64 und 76 ITT MIO 74-93

Parallele Additionsstufe 65a, ITT MIO 7483 65b, usw. und 66a,66b,usw.

Speicher

ROM 68a, 68b, 68c, usw. Monolithic Memories ROM 69a, 69b, 69c, usw. Teil 5335

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ROM 77a, 77b, 77c, usw.

Im Rahmen der erfindungsgemaßen Lehre können, je nach Einzelfall, Bauteile und Werkstoffe modifiziert oder abgeändert werden, im Rahmen des Könnens eines Durchschnittsfachmannes.

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e e r s e i ί e

Claims

2916985

12. April 1978 IG/vh B 112 EiA-U¹JJKHAMEH GMBH

PAQM^AHSPBÜOHE

( 1j Ultrasclaallprüf- oder Meßvorrichtung, "bei welchem auf einem Bildschirm eine akustische Ungänze dargestellt ist, mit einem Prüfkopf in 3?orm mindestens eines akustischen Wandlers, vorzugsweise in Form einer Mehrzahl zu einer Zeile zusammengefaßten Wandlerelementen auf der Oberfläche des Prüfstücks, wobei die aus dem Prüfstück empfangenen Echosignale über den Prüfkopf einem Empfänger zugeführt sind und hier diskrete Echoamplitudensignale (f, ) bilden, wobei (k) eine ganze Zahl gleich oder verhältnisgleich zu einem Abtastintervall längs des Prüfstücks, bzw. die Elementnummer längs der Prüfkopfzeile ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Prozeßrechner (53) aufweist, in dessen Speicherteil eine Folge von Werten gespeichert wird, welche aus den Schallbündelprofilwerten durch Losung des

für ^ ä

Gleichungssystems X-d* ρ = _Q für ^ ä q gewonnen werden, wobei der Prüfkopf in an sich bekannter Weise mit dem Empfänger · gekoppelt ist, so daß letzterer die Amplitudensignale (f_k) empfängt und daß zugehörige gespeicherte Werte (cL.) diesen Amplitudensignalen (fO zugeordnet werden, derart, daß eine

ORIGINAL INSPECTED

i'olre (oeaueiiii) von Ann; ra:-"aüi:;n.alon (I).) yeiroruion. τri.?.-cL, ;"οπαΓ" e'er ü-leichung ο · ="T" c . ι",
2. Vox-riclituii;:; nach Anspruch 1, clacar/c'i ';c-':cniiceic!met, da'- nit iis;i ±^Jrü-L ^rco-L ein oohiobebauteil vo^ounc.on iat, co raj-^;, daß die Achse άοε in das la-uvstüc..: singescJip.Il^en ^clia^.ljüarlelc relativ sun rrürr/riic!: verncliiojbai¹ int.
J. VoITichtirn^; nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, ds.ß die einzelnen in einer Zeile vorhandenen V/andlerelemente nit den Srreeereinheiten (52, y\) so gekoppelt sind, daß durch diese ,jedes der Elemente (59a? 59"o, 59c, 59d .·.) nacheinander, zwecks Aussendung des zugehörigen Suchsinnais, erx'egbar sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher ein Likroprogranraspeicher;ΓίϋΓ: ist.
5. Torx-ichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Prozessrechners (53) sri-"k den Eingang eines Videoverstärkers (56) in Verbindung steht, soidaß den letzteren zugeführten Ausgangssignalen t>- entspj:echende Videosignale gebildet werden, und daß den Ausgang des Videoverstärkers (56) ein Anzeigegerät (37) ^i* Bildschirm zur Darstellung des B-Bildes, in Abhängigkeit von dem Videosignal, angekoppelt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5i dadurch gekenn-

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BAD ORIGINAL

zeichnet, daß der Empfänger (51) mit einem logarithmischen Verstärker bestückt ist, sodaß ein elektrisches ; Ausgangssignal gebildet wird, welches gleich oder verhältnis- ; gleich mit dem logarithmischen Wert der jeweiligen diskreten Echosignal-Amplitudenwerten (log f, ) ist, und das durch den Speicher die Folge der akustischen Schallbündelprofilwerte in Form von log d -Werten gespeichert wird.
7.Vorrichtungnach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessrechner (53) einen Analog-Digitalwandler (61) aufweist, der mit dem logarithmischen Verstärker (51) elektrisch gekoppelt ist, derart, daß elektrische Signale, die gleich bzw. verhältnisgleich mit dem logarithmischen Wert sind, in digitale Form überführt werden und daß der Eingang eines

Schieberegisters (62a) sowohl mit dem Analog-Digitalwandler I
ι (6i) als auch mit dem Eingang eines Taktgebers (63) elektrisch

, in Verbindung steht, derart, daß die digitalen Signale sequenti- ! eil empfangen und verschoben sind, um die Signale (log f. )

; zu speichern. :

'
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ; er einen Zähler (64) aufweist, dessen Eingang mit dem Ausgang ; des Taktgebers (63) in Verbindung steht, sodaß nach Abzählen einer vorbestimmten Menge von Taktimpulsen ein Adressensignal diesem Speicherteil zugeführt und ein entsprechender log d - ; Wert gebildet ist, daß dem Speicherteil (ROM 68a, 68b, 68c, 68d) als auch dem Schieberegister (62a, 62b, 62c, 62d)

^:

eine Addierstufe (65a, 65b, 65c, 65d) angekoppelt ist,

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- 4 so daß Summensignale (log d^ + log f_fc; log d__H- ₊ ^ + log f^ ₊ ^..) gebildet sind, welche gleich oder verhältnisgleich mit der Summe der jeweiligen log f, -Signale und jeweiligen log d - Signale

ic ν

sind, daß diesen Addiereinheiten (65a, 65b, 65c, 65d) Wandlereinheiten (69a, 69"b, 69c) nachgeschaltet sind, um diese Summensignale in Produktsignale von der Form f, · d umzuwandeln, und

ic ν

daß zusätzliche Addierstufen (66a, 66b, 66c) dem Ausgang der V/andlerstufen nachgeschaltet sind, so daß eine Folge von Ausgangssignalen gebildet ist, welche gleich oder verhältnisgleich der Summe dieser Produktsignale ist.

9· Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang der zusätzlichen Addierstufen (66a, 66b, 66c) der Eingang eines Digital-Analogwandlers (67) nachgeschaltet ist und der Ausgang dieses Wandlers (67) mit dem Eingang des Videoverstärkers (56) in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, mit einem Taktgenerator für Taktimpulse, einem mit dem Empfänger und dem Taktgenerator verbundenen Schieberegister, um sequentiell diskrete Echo-Amplitudensignale zu empfangen und zu verschieben, dadurch gekennzeichnet,

daß ein exponentieller Verstärker diesem Speicherteil und dem Schieberegister angekoppelt ist, welcher zugehörige verschobene Signale (log L·) und gespeicherte Werte i

iö88U/öT8f

(log d ) empfängt und daß zugehörige Signalprodukt f^'d "bildet, und daß ferner eine Addierstufe an den exponentiellen Verstärker gekoppelt ist, dessen Eingang die Produktsignale zugeführt und dessen Ausgang eine Folge von AusgangsSignalen entnommen wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dieser Addierstufe ein erstes Signal gebildet wird, welches gleich oder verhältnisgleich mit der Summe der Produktsignale ist, wobei ν eine gerade ganze Zahl ist, und daß ferner in dieser Stufe ein zweites Signal gebildet wird, welches gleich oder verhältnisgleich mit der Summe dieser Produktsignale ist, wobei ν eine ungerade ganze Zahl ist und ferner diese Stufe einen Differenzverstärker enthält, in welchem eine Folge von Ausgangssignalen gebildet ist, welche gleich der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Signal ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der zusätzlichen Addierstufen mit dem Eingang eines Videoverstärkers in Verbindung steht, sodaß eine Folge von AusgangsvideοSignalen gebildet wird und der Videoverstärker in ansich bekannter Weise mit einem Anzeigegerät bzw. Bildschirm elektrisch in Verbindung steht,in welchem bzw. auf welchem gleiche bzw. verhältnisgleiche Abbildungen der Videosignale dargestellt sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Prozessrechner ein zugehöriger gespeicherter Schallstrahl-

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iner Mehrzahl von Amplitude (f, ) zugeordnet wird.

profilwert (d ) mit einer Mehrzahl von Amplitudensignalen

14· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Rechner oder ein Zählwerk aufweist, von solcher Bauart, da/3 er während eines Zeitintervalls zwischen einanderf olgenden Zeitgeberimpulsen betriebswirksam ist und eine Folge von Ausgangssignalen (b^) gemäß der Gleichung b. = / d »f bildet und da-ß diesem Rechner oder dem Zählwerk ein einzeln ansich bekanntes Anzeigegerät bzw. ein Bildschirm elektrisch angekoppelt ist, in welchem bzw. auf welchem eine Folge dieser AusgangsSignale dargestellt ist.

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